JP2008522382A

JP2008522382A - Fuel cell device assembly and method of making a frame

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Publication number: JP2008522382A
Application number: JP2007544362A
Authority: JP
Inventors: イーバディング，マイケル; エルブラウン，ジャクリン; シーポラード，スコット
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2008-06-26
Also published as: WO2006060143A3; CA2588754A1; EP1827730A2; US7416760B2; EP1827730A4; WO2006060143A2; US20060112553A1

Abstract

典型的な燃料電池装置アセンブリの作成方法は、(1) セラミックバッチを提供し、(2) このセラミックバッチをダイおよびマスクに通して、断面積において少なくとも１．５５セル／ｃｍ^２（１０セル／平方インチ）のセル密度および１．２７ｍｍ（５０ミル）以下の壁の厚さを有する未焼成押出し成形体を形成し、(3)この未焼成押出し成形体を適当な長さに切断して未焼成フレーム素材を形成し、(4) この未焼成フレーム素材を少なくとも１２００℃の温度で、好ましくは１４００℃と１６００℃の間の温度で、少なくとも１時間焼成して、複数の平行な流路を備えたセラミックフレームを形成し、(5) 少なくとも１個の燃料電池アレーをそれの上記セラミックフレーム内部の指定された位置に挿入し、かつ(6) 上記少なくとも１個の燃料電池アレーを上記フレームに封止する諸ステップを含む。A typical method for making a fuel cell device assembly includes: (1) providing a ceramic batch; (2) passing the ceramic batch through a die and a mask to provide a cross-sectional area of at least 1.55 cells / cm ² (10 cells / cell). Forming a green extruded body having a cell density of square inches) and a wall thickness of 1.27 mm (50 mils) or less, and (3) cutting the green extruded body to an appropriate length (4) firing the unfired frame material at a temperature of at least 1200 ° C., preferably at a temperature between 1400 ° C. and 1600 ° C. for at least 1 hour, And (5) inserting at least one fuel cell array into a designated position within the ceramic frame; and (6) the at least one fuel cell array. Sealing the lay to the frame.

Description

本発明は、概して燃料電池装置に関し、特に燃料電池装置のためのフレームに関するものである。 The present invention relates generally to fuel cell devices, and more particularly to a frame for a fuel cell device.

固体酸素燃料電池は近年におけるかなりの量の研究の対象になって来ている。固体酸素燃料電池（ＳＯＦＣ）の一般的な構成要素は、二つの電極間に挟まれた負電荷を有する酸素イオン導電性電解質を含んでいる。電解質に導通される酸素イオンと反応する例えば水素のような燃料物質の陽極における酸化によって電池内に電流が発生する。酸素イオンは、陰極における分子酸素の還元によって形成される。 Solid oxygen fuel cells have been the subject of considerable research in recent years. A common component of a solid oxygen fuel cell (SOFC) includes an oxygen ion conducting electrolyte having a negative charge sandwiched between two electrodes. Current is generated in the cell by oxidation at the anode of a fuel material, such as hydrogen, which reacts with oxygen ions conducted to the electrolyte. Oxygen ions are formed by reduction of molecular oxygen at the cathode.

特許文献１および特許文献２には、改良された電極・電解質構造を備えた固体電解質燃料電池が記載されている。この構造は、薄い可撓性を有する無機電解質シートの両側に接着された複数の陽極および陰極を組み込んだ固体電解質シートを備えている。一つの実施例では、電極が電解質シート上で連続した層を形成しておらず、多数の独立した領域または帯を画成していることを示している。これら複数の領域は、電解質シート内の経路を通って延びる導体と接触することによって電子的に接続されている。これらの経路は、導電性の材料で満たされている（経路相互接続）。 Patent Document 1 and Patent Document 2 describe a solid electrolyte fuel cell having an improved electrode / electrolyte structure. This structure comprises a solid electrolyte sheet incorporating a plurality of anodes and cathodes bonded to both sides of a thin flexible inorganic electrolyte sheet. One example shows that the electrode does not form a continuous layer on the electrolyte sheet, but defines a number of independent regions or bands. The plurality of regions are electronically connected by contacting a conductor that extends through a path in the electrolyte sheet. These paths are filled with a conductive material (path interconnect).

特許文献３には、薄く滑らかな無機焼結シートが開示されている。この開示されたシートは、強くかつ可撓性を有して、破壊を伴わずに曲げることができるとともに、広範囲の温度に亘って優れた安定性を有する。イットリアで安定化されたジルコニアＹＳＺ（Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２）のような開示された組成物が燃料電池の電解質として有用である。高い温度〈例えば７２５℃以上〉において、ジルコニア製電解質は、良好なイオン伝導度と極めて低い電子伝導度を有することが知られている。特許文献４には、熱衝撃に耐性を有する固体燃料電池にこのような組成物を用いることが記載されている。 Patent Document 3 discloses a thin and smooth inorganic sintered sheet. The disclosed sheet is strong and flexible, can be bent without breaking, and has excellent stability over a wide range of temperatures. The disclosed compositions such as yttria stabilized zirconia YSZ (Y ₂ O ₃ —ZrO ₂ ) are useful as fuel cell electrolytes. At high temperatures (eg, 725 ° C. or higher), zirconia electrolytes are known to have good ionic conductivity and very low electronic conductivity. Patent Document 4 describes the use of such a composition for a solid fuel cell resistant to thermal shock.

特許文献５には、粗にされた界面層を備えたほぼ平板状の滑らかな電解質シートを用いた固体燃料電池が記載されている。この特許文献は、厚さが４５μｍ未満の電解質シートが開示されている。このセラミック電解質シートはこのような厚さにおいて可撓性を有する。 Patent Document 5 describes a solid fuel cell using a substantially flat, smooth electrolyte sheet having a roughened interface layer. This patent document discloses an electrolyte sheet having a thickness of less than 45 μm. The ceramic electrolyte sheet has flexibility at such a thickness.

さらに、燃料電池は熱サイクルおよび大きな熱勾配に耐え、これにより電解質内に熱歪みが導入される。これに加えて、取り付けられた電解質シートは、そのフレームの熱膨張率とは異なる率で膨張し、電解質シートのひび割れを招く。電解質シートが不良になると、電池全体または電解質素子の交換が必要になる。 In addition, fuel cells withstand thermal cycling and large thermal gradients, which introduce thermal strains in the electrolyte. In addition, the attached electrolyte sheet expands at a rate different from the coefficient of thermal expansion of the frame, leading to cracking of the electrolyte sheet. If the electrolyte sheet becomes defective, it is necessary to replace the entire battery or the electrolyte element.

基板形式の固体酸化物燃料電池はセパレータとして合金を用いることもあることが知られている。このような構造は、例えば非特許文献１に記載されている。 It is known that a substrate type solid oxide fuel cell may use an alloy as a separator. Such a structure is described in Non-Patent Document 1, for example.

固体酸化物燃料電池はまた、例えば特許文献６に開示されているように、多孔質支持構造体によって支持されることが可能である。この多孔質支持構造体の内部は、酸素または燃料のための通路を形成する波形セラミックプレートで封止されている。さらに詳細に述べると、特許文献６には、複数の電極を支持する多孔質基板をそれぞれ備えた燃料電池モジュールが開示されている。一つの電解質層がこれら複数の電極に亘って位置しており、かつ別の電極層が電解質層上に位置している。多孔質支持構造体は、これらの層とともに一体化され、これら層から切り離せないようになっている。この特許文献には、燃料電池層が多孔質支持構造体に直接接着され、したがって組立て上の制約が燃料電池構造を制限することが開示されている。例えば電池層は一般に異なる温度で焼成される。典型的には、陽極および電解質は１４００℃以上の温度で焼成されるが、陰極は１２００℃以下の温度で焼成されるのが理想的である。それ故に、燃料電池層は焼成温度を順に下げながら堆積されなければならない。しかしながら、組立て上の制約から解放された燃料電池アレーの構造が得られるとするならば有利である筈である。さらに、多孔質支持構造体は比較的太く、したがって作成に費用がかかる。特許文献７には、電解質を含浸させた多孔質プラスチック誘電体シート上に形成された複数の燃料電池アレーを備えた燃料電池スタックが開示され、セル同士の相互電気的接続は電解質膜を通して形成されている。この開示された構成は、複数の燃料電池アレー間に組み付けられた空気流マニフォルド・ユニットならびに燃料マニフォルド・ユニットを用いている。付加的な空気流マニフォルド・ユニットおよび燃料マニフォルド・ユニットを有しかつそれらを燃料電池アレー間に組み付けることは、燃料電池スタックを複雑にしかつコストを増大させる。 The solid oxide fuel cell can also be supported by a porous support structure, for example as disclosed in US Pat. The interior of the porous support structure is sealed with a corrugated ceramic plate that forms a passage for oxygen or fuel. More specifically, Patent Document 6 discloses a fuel cell module provided with a porous substrate that supports a plurality of electrodes. One electrolyte layer is located over the plurality of electrodes, and another electrode layer is located on the electrolyte layer. The porous support structure is integrated with these layers and cannot be separated from these layers. This patent document discloses that the fuel cell layer is bonded directly to the porous support structure, and therefore assembly constraints limit the fuel cell structure. For example, battery layers are generally fired at different temperatures. Typically, the anode and electrolyte are fired at a temperature of 1400 ° C or higher, while the cathode is ideally fired at a temperature of 1200 ° C or lower. Therefore, the fuel cell layer must be deposited while decreasing the firing temperature. However, it would be advantageous if a fuel cell array structure was obtained that was freed from assembly constraints. Furthermore, the porous support structure is relatively thick and therefore expensive to make. Patent Document 7 discloses a fuel cell stack including a plurality of fuel cell arrays formed on a porous plastic dielectric sheet impregnated with an electrolyte, and mutual electrical connection between cells is formed through an electrolyte membrane. ing. The disclosed arrangement uses an air flow manifold unit and a fuel manifold unit assembled between a plurality of fuel cell arrays. Having additional air flow manifold units and fuel manifold units and assembling them between fuel cell arrays complicates the fuel cell stack and increases costs.

特許文献８には、被覆された交互熱交換器およびその作成方法が開示されている。この熱交換器は、セラミック本体内に位置する複数の通路を備えている。この特許文献には、この装置を燃料電池の用途に用いることは開示されていない。
米国特許公開第２００２／０１０２４５０号明細書米国特許公開第２００１／００４４０４１号明細書米国特許第５,０８５,４５５号明細書米国特許第５,２７３,８３７号明細書米国特許公開第２００１／００４４０４３号明細書米国特許第５,４８６,４２８号明細書米国特許第６,１９４,０９５号明細書米国特許第５,４１６,０５７号明細書「クロム含有合金セパレータと接触するＳＯＦＣ陰極の電磁特性」Y.マツザキ、I.ヤスダ著「ソリッドステート・イオニクス」 132(2002) 271-278頁 Patent Document 8 discloses a coated alternating heat exchanger and a method for producing the same. The heat exchanger includes a plurality of passages located in the ceramic body. This patent document does not disclose the use of this device for fuel cell applications.
US Patent Publication No. 2002/0102450 US Patent Publication No. 2001/0044041 US Pat. No. 5,085,455 US Pat. No. 5,273,837 US Patent Publication No. 2001/0044043 US Pat. No. 5,486,428 US Pat. No. 6,194,095 US Pat. No. 5,416,057 "Electromagnetic properties of SOFC cathodes in contact with chromium-containing alloy separators" Y. Matsuzaki, I. Yasuda, "Solid State Ionics" 132 (2002) 271-278

本発明の一つの態様によれば、燃料電池装置の作成方法であって、この方法は、(1) 少なくとも１．５５流路／ｃｍ^２（１０流路／平方インチ）の流路密度および１．２７ｍｍ（５０ミル）以下の流路壁の厚さを有する複数の平行な流路を備えたセラミック・ハニカムフレームを作成し、かつ(2) 少なくとも１個の燃料電池アレーを上記フレームに取り付ける両ステップを含む。 According to one aspect of the present invention, a method of making a fuel cell device comprising: (1) a flow path density of at least 1.55 flow paths / cm ² (10 flow paths / in ² ) and 1 A ceramic honeycomb frame with a plurality of parallel flow channels having a flow channel wall thickness of 27 mm (50 mils) or less, and (2) at least one fuel cell array attached to the frame. Includes steps.

本発明の一つの態様によれば、燃料電池装置の作成方法は、(1) セラミック原料バッチを提供し、(2) このセラミックバッチをダイおよびマスクに通して、断面積において少なくとも１．５５セル／ｃｍ^２（１０セル／平方インチ）のセル密度および１．２７ｍｍ（５０ミル）以下の壁の厚さを有する未焼成押出し成形体を形成し、(3)この未焼成押出し成形体を適当な長さに切断して未焼成フレーム素材を形成し、(4) この未焼成フレーム素材を少なくとも１２００℃の温度で、好ましくは１４００℃と１６００℃の間の温度で、少なくとも１時間焼成して、複数の平行な流路を備えたセラミックフレームを形成し、(5) 少なくとも１個の燃料電池アレーをそれの上記セラミックフレーム内部の指定された位置に挿入し、かつ(6) 上記少なくとも１個の燃料電池アレーを上記フレームに封止する諸ステップを含む。 According to one aspect of the present invention, a method of making a fuel cell device comprises: (1) providing a ceramic raw material batch; (2) passing the ceramic batch through a die and a mask to provide at least 1.55 cells in cross-sectional area. Forming a green extruded body having a cell density of 10 cm / in ² and a wall thickness of 1.27 mm (50 mils) or less; (3) Cutting to length to form an unfired frame material, (4) firing the unfired frame material at a temperature of at least 1200 ° C., preferably at a temperature between 1400 ° C. and 1600 ° C. for at least 1 hour; Forming a ceramic frame with a plurality of parallel flow paths; (5) inserting at least one fuel cell array into a designated position within the ceramic frame; and (6) at least one of the above Sealing the fuel cell array to the frame.

別の態様において、本発明は燃料電池アレーのためのフレームの作成方法であって、この方法は、(1) セラミック原料バッチを提供し、(2)このセラミックバッチをダイおよび１平方センチメートル当たり少なくとも１．５５個（１平方インチ当たり少なくとも１０個）の開口部を有するマスクに通して、断面積において少なくとも１．５５セル／ｃｍ^２（１０セル／平方インチ）のセル密度および１．２７ｍｍ（５０ミル）以下の壁の厚さを有する未焼成押出し成形体を形成し、(3) この未焼成押出し成形体を適当な長さに切断して未焼成フレーム素材を形成し、かつ(4) この未焼成フレーム素材を少なくとも１２００℃の温度で少なくとも１時間焼成して、複数の平行な流路を備えたセラミックフレームを形成する諸ステップを含む。 In another aspect, the present invention is a method of making a frame for a fuel cell array, the method comprising: (1) providing a ceramic raw material batch; (2) providing the ceramic batch to at least one per die and square centimeter. Through a mask with .55 (at least 10 per square inch) openings, a cell density of at least 1.55 cells / cm ² (10 cells / in ² ) in cross-sectional area and 1.27 mm (50 mils) ) Forming an unfired extruded body having the following wall thickness: (3) cutting the unfired extruded body to an appropriate length to form an unfired frame material, and (4) Firing the fired frame material at a temperature of at least 1200 ° C. for at least 1 hour to form a ceramic frame with a plurality of parallel flow paths.

本発明のいくつかの実施の形態によれば、上記フレームは、Ｎｉまたは貴金属触媒のウォッシュコーティングが施される
本発明のさらなる特徴および利点は、下記の詳細な記載において説明されており、その一部は、下記の詳細な記載、請求項および添付図面を含んでここに説明されている本発明を実施することによって、当業者には直ちに明らかになるであろう。 According to some embodiments of the present invention, the frame is provided with a Ni or noble metal catalyst wash coating. Further features and advantages of the present invention are described in the detailed description below, including: The parts will be readily apparent to those skilled in the art from practicing the invention described herein, including the following detailed description, claims and accompanying drawings.

上述した概要説明および下記の本発明の実施例の説明の双方は、請求項に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概観または骨組の提供を意図するものであることを理解すべきである。添付図面は、本発明のさらなる理解のために用意されたものであって、本明細書に組み入れられ、かつ本明細書の一部を構成するものである。図面は本発明の種々の実施の形態を示すもので、記述内容とともに、本発明の原理および動作の説明に資するものである。 It is understood that both the foregoing general description and the following description of embodiments of the invention are intended to provide an overview or framework for understanding the nature and features of the invention as claimed. Should. The accompanying drawings are provided for a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this specification. The drawings show various embodiments of the present invention, and together with the description, serve to explain the principle and operation of the present invention.

以下、添付図面に示されている実施例を参照して、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。全図面を通じて、同一部品には可能な限り同一の参照番号を用いることにする。燃料電池装置の一実施の形態は、(1) 少なくとも１枚の電解質シート、(2) この電解質シートの一方の側に配置された複数の陰極、(3) 上記電解質シートの他方の側に配置された複数の陽極、および(4) 上記電解質シートを支持する１個のフレームを備え、このフレームは複数の平行な流路を備えている。複数の流路は、所望の反応物を陽極および／または陰極に提供するのに利用することができる。フレームの断面積は、少なくとも１．５５流路／ｃｍ^２（１０流路／平方インチ）が好ましく、少なくとも３．１流路／ｃｍ^２（２０流路／平方インチ）がより好ましく、少なくとも１５．５流路／ｃｍ^２（１００流路／平方インチ）が最も好ましい。流路壁の厚さは、１．２７ｍｍ（５０ミル）以下が好ましく、０．７８ｍｍ（３０ミル）がより好ましく、０．５ｍｍ（２０ミル）以下が最も好ましい。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to examples shown in the accompanying drawings. Wherever possible, the same reference numbers will be used throughout the drawings to refer to the same parts. An embodiment of the fuel cell device includes (1) at least one electrolyte sheet, (2) a plurality of cathodes disposed on one side of the electrolyte sheet, and (3) disposed on the other side of the electrolyte sheet. A plurality of anodes, and (4) one frame for supporting the electrolyte sheet, and the frame includes a plurality of parallel flow paths. Multiple channels can be utilized to provide the desired reactants to the anode and / or cathode. The cross-sectional area of the frame is preferably at least 1.55 channels / cm ² (10 channels / in ² ), more preferably at least 3.1 channels / cm ² (20 channels / in ² ), and at least 15. Most preferred is 5 channels / cm ² (100 channels / in ² ). The thickness of the flow path wall is preferably 1.27 mm (50 mils) or less, more preferably 0.78 mm (30 mils), and most preferably 0.5 mm (20 mils) or less.

この燃料電池装置は、さらに上記フレームに取り付けられた第２の電解質シートを備えており、第２の電解質シートも、この第２の電解質シートの両側に位置する複数の陰極および陽極を支持している。これら２枚の電解質シートは、(1) 第１の電解質シート上に位置する複数の陽極が第２の電解質シート上に位置する複数の陽極に対向し、あるいは(2) 第１の電解質シート上に位置する複数の陰極が第２の電解質シート上に位置する複数の陰極に対向して、反応物が上記フレームを通って両電解質シート間に流れるのを可能にしている。 The fuel cell device further includes a second electrolyte sheet attached to the frame, and the second electrolyte sheet also supports a plurality of cathodes and anodes located on both sides of the second electrolyte sheet. Yes. These two electrolyte sheets are: (1) a plurality of anodes located on the first electrolyte sheet are opposed to a plurality of anodes located on the second electrolyte sheet; or (2) on the first electrolyte sheet. The plurality of cathodes located at the opposite of the plurality of cathodes located on the second electrolyte sheet allow reactants to flow between the electrolyte sheets through the frame.

本発明の一実施の形態が、全体として符号１０で図１に示されている。本発明のこの実施の形態によれば、燃料電池装置アセンブリ１０は、(1) １枚の電解質シート２０と、この電解質シート２０の一方の側に配置された複数の陰極３０と、電解質シート２０の反対の側に配置された複数の陽極４０とを備えた少なくとも一つの燃料電池アレー１５、および(2) 上記電解質シート２０を支持する１個のフレーム５０を備えている。上記陽極４０および陰極３０は、電解質シート内の複数の孔を通って延びる相互接続部材３５によって相互接続されている。上記フレーム５０は、中実壁５４で囲まれた複数の流路５２を備えている。このフレーム５０はハニカムフレームであることが好ましい。すなわち、多数のセルを有する薄い壁のために高い強度・重量比を備えた多セル構造であり、セルの断面は、六角形、四角形、正方形または円形であることが好ましい。図２Ａ〜図２Ｃは、フレームのセル形状を示している。これらの断面は、図１に示されたフレーム５０の断面に対し垂直である。フレーム５０はハニカム構造を有することが好ましい。また、フレーム５０は、電解質シート２０の膨張に類似する膨張を呈するようにするために、電解質シート２０のＣＴＥ〈熱膨張率〉に近いＣＴＥを備えていることが好ましい。もし電解質シート２０が部分安定化ジルコニア（例えば、３ＹＳＺ）からなる場合には、フレーム５０は、約９から１３ppm/℃までの、好ましくは１０から１２ppm/℃までのＣＴＥ（ＣＴＥ＝ΔＬ／ＬΔＴ）を有することが好ましい。このようなＣＴＥは、例えばマグネシア（ＭｇＯ）・スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）系内のセラミック組成物によって実現可能である。 One embodiment of the present invention is shown generally in FIG. According to this embodiment of the present invention, the fuel cell device assembly 10 includes: (1) one electrolyte sheet 20, a plurality of cathodes 30 disposed on one side of the electrolyte sheet 20, and the electrolyte sheet 20. And at least one fuel cell array 15 provided with a plurality of anodes 40 disposed on the opposite side of (2), and (2) one frame 50 for supporting the electrolyte sheet 20. The anode 40 and the cathode 30 are interconnected by an interconnecting member 35 that extends through a plurality of holes in the electrolyte sheet. The frame 50 includes a plurality of flow paths 52 surrounded by a solid wall 54. The frame 50 is preferably a honeycomb frame. That is, it is a multi-cell structure having a high strength / weight ratio due to a thin wall having a large number of cells, and the cross section of the cells is preferably hexagonal, square, square or circular. 2A to 2C show the cell shape of the frame. These cross sections are perpendicular to the cross section of the frame 50 shown in FIG. The frame 50 preferably has a honeycomb structure. The frame 50 preferably has a CTE close to the CTE <thermal expansion coefficient> of the electrolyte sheet 20 in order to exhibit expansion similar to the expansion of the electrolyte sheet 20. If the electrolyte sheet 20 is made of partially stabilized zirconia (eg 3YSZ), the frame 50 has a CTE of about 9 to 13 ppm / ° C., preferably 10 to 12 ppm / ° C. (CTE = ΔL / LΔT). It is preferable to have. Such CTE can be realized, for example, by a ceramic composition in the magnesia (MgO) / spinel (MgAl ₂ O ₄ ) system.

多数の流路５２を備えたフレーム５０の作成は、その高いＯＦＡ（前面解放面積）のために、フレーム密度を低減し、かつ表面積を増大させる。「前面解放面積」とは、中実材料〈壁〉によって塞がれていないフレーム５０の断面積の形状比率を意味する。ＯＦＡは０．４よりも高いことが好ましく、ＯＦＡが０．５よりも高ければより好ましい。フレーム５０の壁の幾何学的表面積（ＧＳＡ）は５よりも高いことが好ましく、１０よりも高いことがより好ましく、ＧＳＡが１５と１００の間が最も好ましい。表１は、ハニカムフレームの幾何学的性質の複数の実施例を提供している。この表において、ρ_ｈｃ／ρ_{ｓｏｌｉｄ}比は、フレームが中実材料のみで作成されたとした場合の密度に対する「見かけの」すなわち有効ハニカムフレーム密度の比を表す。例えば、表１は、１４０流路／ｃｍ^２（９００流路／平方インチ）のセル密度と０．０５ｍｍ（２ミル）の壁の厚さとを備えたフレームは、４４．４の大きな幾何学的表面積ＧＳＡと、０．８８のＯＦＡを有しながら、同一の中実材料で作成された場合に対して密度が僅か０．１２倍であることを示している。

The creation of the frame 50 with multiple channels 52 reduces the frame density and increases the surface area due to its high OFA (front open area). The “front open area” means the shape ratio of the cross-sectional area of the frame 50 that is not blocked by the solid material <wall>. OFA is preferably higher than 0.4, more preferably ifa is higher than 0.5. The geometric surface area (GSA) of the walls of the frame 50 is preferably higher than 5, more preferably higher than 10 and most preferably between 15 and 100 GSA. Table 1 provides examples of honeycomb frame geometry. In this table, the ρ _hc / ρ _solid ratio represents the ratio of the “apparent” or effective honeycomb frame density to the density when the frame is made of solid material only. For example, Table 1 shows that a frame with a cell density of 140 channels / cm ² (900 channels / in 2) and a wall thickness of 0.05 mm (2 mils) has a large geometrical size of 44.4. It shows that the density is only 0.12 times that of the same solid material with surface area GSA and OFA of 0.88.

表１に示された実施例から明らかなように、フレーム５０の断面積は少なくとも３．１流路／ｃｍ^２（２０流路／平方インチ）の流路密度を有する。流路密度は少なくとも７．８流路／ｃｍ^２（５０流路／平方インチ）がより好ましく、１５．５流路／ｃｍ^２（１００流路／平方インチ）の流路密度と０．５ｍｍ（２０ミル）以下の流路壁の厚さが最も好ましい。フレーム５０の一つの利点は、中実材料のみで作成されたフレームに比較して薄い流路壁および／または高いＧＳＡの故に、フレームが、中実材料から作成された類似のフレームに比較して低い熱容量を有し、したがって、中実材料のみで作成された類似のフレームよりも速い熱サイクルレートに耐えることができることである。さらに、流路５２は、フレーム５０内部における熱交換を促進するのに利用可能である。最後に、フレーム５０が大きな表面積を有するので、流路の表面が効率的な触媒拡散のために利用可能である。 As is apparent from the examples shown in Table 1, the cross-sectional area of the frame 50 has a flow path density of at least 3.1 flow paths / cm ² (20 flow paths / in ² ). The flow path density is more preferably at least 7.8 flow paths / cm ² (50 flow paths / in ² ), with a flow density of 15.5 flow paths / cm ² (100 flow paths / in ² ) and 0.5 mm ( A channel wall thickness of 20 mils or less is most preferred. One advantage of the frame 50 is that the frame is compared to a similar frame made from solid material because of the thin channel walls and / or high GSA compared to a frame made only from solid material. It has a low heat capacity and therefore can withstand a faster thermal cycle rate than a similar frame made only of solid material. Further, the channel 52 can be used to promote heat exchange within the frame 50. Finally, because the frame 50 has a large surface area, the surface of the flow path is available for efficient catalyst diffusion.

フレーム５０はセラミックであることが好ましい。セラミック材料に関しては、低いブロット・モデュラス(Blot modulus)の条件下で最大応力に対する熱可塑性の計算結果（実際的な伝熱速度）は、
σ＝（αＥΔＴｈｌ）／｛ｋ（１−μ）｝
ここで、αは熱膨張係数、Ｅはヤング率、ΔＴは表面温度変化、ｈは伝熱速度、ｌは固有寸法、ｋは熱伝導度、μはポアソン比である。最大応力は固有寸法ｌに正比例する。ハニカムフレーム５０の流路を通ってガスが一様に流れ、かつ温度およびガス流量がハニカム構造体の壁に対する、または壁からの伝熱速度を決定する場合を想定すると、固有寸法は壁の厚さである。類似の条件下の中実フレームに関しては、固有寸法はフレームの幅および高さであり、これは数ミリメートルまたはセンチメートルの幅（高さ）が予想される。一般的なハニカム寸法の壁の厚さ（表１に示された）を比較すると、ハニカム構造を備えたフレーム５０は、極めて薄い寸法（流路壁）のために、応力が約一桁も二桁も低くなっている（中実フレームと比較して）。 The frame 50 is preferably ceramic. For ceramic materials, the calculated thermoplasticity (actual heat transfer rate) for maximum stress under low Blot modulus conditions is:
σ = (αEΔThl) / {k (1-μ)}
Here, α is a coefficient of thermal expansion, E is a Young's modulus, ΔT is a change in surface temperature, h is a heat transfer rate, l is an intrinsic dimension, k is a thermal conductivity, and μ is a Poisson's ratio. The maximum stress is directly proportional to the intrinsic dimension l. Assuming that the gas flows uniformly through the flow path of the honeycomb frame 50 and the temperature and gas flow rate determine the heat transfer rate to or from the walls of the honeycomb structure, the intrinsic dimension is the wall thickness. That's it. For a solid frame under similar conditions, the intrinsic dimensions are the width and height of the frame, which is expected to be a width (height) of a few millimeters or centimeters. Comparing the wall thicknesses of typical honeycomb dimensions (shown in Table 1), the frame 50 with the honeycomb structure has a stress that is about two orders of magnitude due to the extremely thin dimensions (channel walls). The digits are also lower (compared to solid frames).

封止剤６０が電解質シート２０をフレーム５０に接着する。封止剤６０は、例えばガラスシールまたは蝋付け金属であるハーメチック・封止剤であることが好ましい。他のハーメチック・封止剤を用いてもよい。フレーム５０はまた、さらなる熱管理および／または燃料リサイクルのために回収される出口８５，８５′を設けてもよい。 The sealing agent 60 adheres the electrolyte sheet 20 to the frame 50. The sealant 60 is preferably a hermetic sealant, for example a glass seal or brazed metal. Other hermetic sealants may be used. The frame 50 may also be provided with outlets 85, 85 'that are recovered for further thermal management and / or fuel recycling.

本発明は下記の実施例によってさらに明らかになるであろう。 The invention will be further clarified by the following examples.

実施例１
本発明による燃料電池装置アセンブリの一つの実施例が図３Ａおよび図３Ｂに示されている。図３Ａは燃料電池装置アセンブリ１０の実施例の概略的断面図である。図３Ｂは図３Ａに示された燃料電池装置アセンブリの平面図を示す。燃料電池装置アセンブリ内における反応物（例えば燃料）の流れる方向が矢印で示してある。 Example 1
One embodiment of a fuel cell device assembly according to the present invention is shown in FIGS. 3A and 3B. FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of an embodiment of the fuel cell device assembly 10. FIG. 3B shows a plan view of the fuel cell device assembly shown in FIG. 3A. The direction of flow of reactants (eg, fuel) within the fuel cell device assembly is indicated by arrows.

これらの図において、燃料電池装置アセンブリ１０は１個の燃料電池モジュール１２を備えている。この燃料電池モジュール１２は、２組の電極（例えば陽極４０）が互いに対向し、それら間に反応〈例えば陽極〉室８０を形成するように配置された２個の平行な燃料電池アレー１５を支持するフレーム５０を備えている。フレーム５０は封止剤６０によって燃料電池アレー１５に接着されている。燃料電池装置アセンブリ１０に用いるための燃料は、例えば封止剤６０′でフレーム５０に封止されたガス分配末端部材７０を通じて、フレーム５０に向かって供給される。ガス分配末端部材７０から通過する〈矢印方向参照〉燃料は、複数の流路５２を通って２枚の電解質シートによって形成された陽極室８０に入り、複数の排出流路５２′に入り、次いで排出口８５を通じて排出される。この実施例においては、排出口８５が末端部材７０から最も遠くに位置するフレームセクション５０ｂ〈排出側〉上に配置されている。 In these drawings, the fuel cell device assembly 10 includes one fuel cell module 12. The fuel cell module 12 supports two parallel fuel cell arrays 15 arranged so that two sets of electrodes (for example, anodes 40) face each other and a reaction (for example, anode) chamber 80 is formed therebetween. A frame 50 is provided. The frame 50 is bonded to the fuel cell array 15 with a sealant 60. Fuel for use in the fuel cell device assembly 10 is supplied toward the frame 50 through a gas distribution end member 70 sealed to the frame 50 with, for example, a sealant 60 ′. The fuel passing from the gas distribution end member 70 (see the arrow direction) passes through the plurality of flow paths 52 and enters the anode chamber 80 formed by the two electrolyte sheets, enters the plurality of discharge flow paths 52 ', and then It is discharged through the discharge port 85. In this embodiment, the discharge port 85 is disposed on the frame section 50b (discharge side) located farthest from the end member 70.

かくして、本発明の一実施の形態によれば、燃料電池装置アセンブリ１０は、(1) 各燃料電池アレー１５が電解質シート２０の両側に配置された複数の相互接続された陰極３０および陽極４０を有する少なくとも２個の燃料電池アレー１５と、(2) ２個の燃料電池アレー１５が互いに隔離されかつそれらの間に少なくとも１個の室（例えば陽極室８０）を形成するように、フレーム５０が燃料電池アレー１５を支持している。上記室の総数は燃料電池スタック内の燃料電池アレー１５の全数に左右される。かくして、この燃料電池スタックは１個以上のモジュール１２を含み得る。ここに定義されているように、燃料電池モジュール１２は、フレーム５０に接着された２個の燃料電池アレー１５と、２個の燃料電池アレーの間を接続する付属の電気コネクタである。フレーム５０は、複数の流路５２を備えて、反応物（例えば燃料）がフレーム５０を通り、かつ反応室８０および／または８０′を通って流れることを可能にしている。本実施の形態においては、燃料は流路５２を通って反応室８に入り、燃料電池アレー１５の陽極４０に接触する。排出燃料は、排出口８５から集められるまでフレーム５０の排出流路５２′を通って同一方向へ流れ続ける。図３Ａおよび図３Ｂは、流路５２がフレームセクション５０ａに配置され、一方、排出流路５２′はフレームセクション５０ｂに配置されていることを示している。この燃料電池装置アセンブリは空気室８３内に配列され、この空気室８３は、空気取入れチューブ８８に接続された空気取入れ口８４と、排出チューブ８８′に接続された排出口８４′とを備えている。空気室８３は、陰極３０に空気または酸素を提供して、燃料電池の動作を可能にする。これは図３Ａおよび図３Ｂに概略的に示されている。 Thus, according to one embodiment of the present invention, the fuel cell assembly 10 includes (1) a plurality of interconnected cathodes 30 and anodes 40 in which each fuel cell array 15 is disposed on both sides of the electrolyte sheet 20. The frame 50 so that it has at least two fuel cell arrays 15 and (2) the two fuel cell arrays 15 are isolated from each other and form at least one chamber (eg, anode chamber 80) therebetween. The fuel cell array 15 is supported. The total number of chambers depends on the total number of fuel cell arrays 15 in the fuel cell stack. Thus, the fuel cell stack can include one or more modules 12. As defined herein, the fuel cell module 12 is an attached electrical connector that connects between the two fuel cell arrays 15 bonded to the frame 50 and the two fuel cell arrays. Frame 50 includes a plurality of flow paths 52 to allow reactants (eg, fuel) to flow through frame 50 and through reaction chambers 80 and / or 80 ′. In the present embodiment, the fuel enters the reaction chamber 8 through the flow path 52 and contacts the anode 40 of the fuel cell array 15. The discharged fuel continues to flow in the same direction through the discharge flow path 52 ′ of the frame 50 until it is collected from the discharge port 85. 3A and 3B show that the flow path 52 is disposed in the frame section 50a, while the discharge flow path 52 'is disposed in the frame section 50b. The fuel cell device assembly is arranged in an air chamber 83, and the air chamber 83 includes an air intake port 84 connected to an air intake tube 88 and an exhaust port 84 'connected to an exhaust tube 88'. Yes. The air chamber 83 provides air or oxygen to the cathode 30 to allow the fuel cell to operate. This is shown schematically in FIGS. 3A and 3B.

実施例２
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の別の実施の形態を示す。図４Ａは、熱交換を行なう燃料電池装置アセンブリの実施例の概略的断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示された燃料電池装置アセンブリの平面図を示す。 Example 2
4A and 4B show another embodiment of the present invention. FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a fuel cell device assembly performing heat exchange. FIG. 4B shows a plan view of the fuel cell device assembly shown in FIG. 4A.

本実施の形態においては、フレーム５０が熱交換器である。このフレーム５０は２個の平行な燃料電池アレー１５を支持し、これら燃料電池アレー１５は、二組の陽極４０が互いに対向して、それら間に陽極室８０を形成している。これらの陽極室８０は、中心燃料流路５２の熱交換流路部８０ａによって互いに隔離されている。本実施の形態によれば、フレーム５０は、燃料分配末端部材７０に結合された少なくとも１個の取入れ口５１と、燃料分配末端部材７０固定されたフレームの一方側（例えば５０ａ）に配置された少なくとも１個の排出口８５′とを備えている。少なくとも１個の栓８６は、先の実施例のように中心燃料流路５２から燃料が出て行くのを防止している。燃料〈図４Ａにおいて矢印で示されているように〉は中心燃料流路５２を通って移動し、熱交換流路部８０ａに流入する。熱交換流路部８０ａを通って移動している間に、ガス燃料は陽極室８０との熱交換（流路壁５４を通じた）によって加熱される。加熱されたガス燃料は中心燃料流路５２を通って流れ続け、方向転換開口部８７を通じて周辺燃料流路５２（フレームのセクション５０ｂ）に向け直され、そこから陽極室８０に流入し、陽極室８０で陽極４０を横切るように分布される。すなわち、燃料ガスは〈中心〉燃料流路５２を出て流路壁５４の開口部８７を通り、元の方向とは反対方向に周辺燃料流路５２内を通り、周辺燃料流路５２から陽極室８０に流入する。ガス燃料は、陽極室８０内の陽極４０を横切って流れるときに加熱され、高温の排出燃料が排出燃料流路５２′（フレームのセクション５０ａ）に流入する。かくして、本実施の形態においては、最初の燃料流が反対方向に移動して排出燃料流となる。上述のように、燃料が各電池の電極を横切って移動する際に燃料は益々高温になる。燃料がフレームのセクション５０ａに再流入するときには、燃料が燃料取入れ口５１を通ってフレームセクション５０ａに流入したときの温度よりもかなり高温になる。高温の排出燃料は排出燃料流路５２′に流入し、中心流路５２内を流れる燃料に対して反対方向に移動する。周辺流路５２、５２′を通る燃料の方向は図４Ｂに矢印で概略的に示されている。高温の燃料がフレーム５０のセクション５０ａに流入するとき、流路５２′から壁５４を通じて熱が中心流路５２に転送され、これにより排出流路５２′を冷却し、かつ流入燃料を加熱する。かくして、本実施の形態のフレーム５０は熱交換器として動作する。図４Ａ、図４Ｂに示されたフレーム５０は、複数の燃料流路５２および複数の隔離した排出燃料流路５２′を備えており、双方ともフレームセクション５０ａに位置している。 In the present embodiment, the frame 50 is a heat exchanger. The frame 50 supports two parallel fuel cell arrays 15, and two sets of anodes 40 are opposed to each other, and an anode chamber 80 is formed therebetween. These anode chambers 80 are separated from each other by the heat exchange flow path portion 80 a of the central fuel flow path 52. According to the present embodiment, the frame 50 is disposed on at least one intake 51 coupled to the fuel distribution end member 70 and one side (for example, 50a) of the frame fixed to the fuel distribution end member 70. And at least one outlet 85 '. At least one plug 86 prevents fuel from exiting the central fuel flow path 52 as in the previous embodiment. The fuel (as indicated by the arrow in FIG. 4A) moves through the central fuel channel 52 and flows into the heat exchange channel 80a. While moving through the heat exchange channel portion 80a, the gas fuel is heated by heat exchange with the anode chamber 80 (through the channel wall 54). The heated gaseous fuel continues to flow through the central fuel flow path 52 and is redirected through the redirecting opening 87 to the peripheral fuel flow path 52 (frame section 50b), from where it flows into the anode chamber 80, where the anode chamber 80 is distributed across the anode 40. That is, the fuel gas exits the <center> fuel flow path 52, passes through the opening 87 of the flow path wall 54, passes through the peripheral fuel flow path 52 in a direction opposite to the original direction, and passes from the peripheral fuel flow path 52 to the anode. It flows into the chamber 80. The gas fuel is heated as it flows across the anode 40 in the anode chamber 80 and hot exhaust fuel flows into the exhaust fuel flow path 52 '(frame section 50a). Thus, in the present embodiment, the initial fuel flow moves in the opposite direction to become an exhaust fuel flow. As mentioned above, the fuel becomes increasingly hot as it moves across the electrodes of each cell. When the fuel re-enters the frame section 50a, the temperature is much higher than the temperature at which the fuel entered the frame section 50a through the fuel intake 51. The hot exhaust fuel flows into the exhaust fuel flow path 52 ′ and moves in the opposite direction to the fuel flowing in the central flow path 52. The direction of the fuel through the peripheral channels 52, 52 'is schematically indicated by arrows in FIG. 4B. When hot fuel flows into section 50a of frame 50, heat is transferred from channel 52 'through wall 54 to central channel 52, thereby cooling discharge channel 52' and heating the incoming fuel. Thus, the frame 50 of the present embodiment operates as a heat exchanger. The frame 50 shown in FIGS. 4A and 4B includes a plurality of fuel passages 52 and a plurality of isolated exhaust fuel passages 52 ', both located in the frame section 50a.

先の実施例と同様に、この燃料電池装置アセンブリは空気室８３内に配列されており、空気室８３は、空気取入れチューブ８８に接続された空気取入れ口８４と、空気排出チューブ８８′に接続された空気排出口８４′とを備えている。空気室８３は、陰極３０に空気または酸素を提供して、燃料電池の動作を可能にする。これは図４Ａおよび図４Ｂに概略的に示されている。 As in the previous embodiment, this fuel cell device assembly is arranged in an air chamber 83, which is connected to an air intake 84 connected to an air intake tube 88 and to an air exhaust tube 88 '. Air outlet 84 '. The air chamber 83 provides air or oxygen to the cathode 30 to allow the fuel cell to operate. This is schematically illustrated in FIGS. 4A and 4B.

実施例３
図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、燃料電池装置は、(1) 少なくとも２個の燃料電池アレー１５の陽極側が互いに対向し、これにより陽極室８０を形成し、(2) 少なくとも２個の燃料電池アレー１５の陰極側が互いに対向し、これにより陰極室８０′を形成する態様で、フレーム５０によって支持された３個以上の燃料電池アレー１５を備えている。図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、フレーム５０は、(a) 陽極室８０へは燃料ガスを提供し、(b) 陰極室８０′へは酸素流を提供する複数の平行な流路５２を有する。フレーム５０はまた、排気ガスを陽極室８０および陰極室８０′から排出させるための複数の流路５２′をも有する。先の実施例で説明したように、燃料電池アレー１５は、封止剤６０を用いてフレーム５０に接着されている。フレーム５０および多数の燃料電池アレーを用いて、それら間に反応室（パケット）を形成することによって、パケット形式の燃料電池スタックが形成される。 Example 3
As shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the fuel cell device includes (1) anode sides of at least two fuel cell arrays 15 facing each other, thereby forming an anode chamber 80, and (2) at least 2 The fuel cell array 15 includes three or more fuel cell arrays 15 supported by a frame 50 in such a manner that the cathode sides of the fuel cell arrays 15 face each other, thereby forming a cathode chamber 80 '. As shown in FIGS. 5A and 5B, the frame 50 includes a plurality of parallel flows that provide (a) fuel gas to the anode chamber 80 and (b) oxygen flow to the cathode chamber 80 '. A path 52 is provided. The frame 50 also has a plurality of flow paths 52 ′ for exhausting exhaust gas from the anode chamber 80 and the cathode chamber 80 ′. As described in the previous embodiment, the fuel cell array 15 is bonded to the frame 50 using the sealant 60. A packet-type fuel cell stack is formed by using the frame 50 and multiple fuel cell arrays and forming reaction chambers (packets) therebetween.

かくして、図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、燃料電池装置アセンブリ１０は、(I) それぞれが、電解質シート２０、上記電解質シート２０の一方側に配置された複数の陰極３０からなる第１の組の電極および上記電解質シート２０の他方側に配置された複数の陽極４０からなる第２の組の電極を備えた、複数の電気的に相互接続された燃料電池アレー１５、および(II) 上記電解質シート２０を支持しかつ上記電解質シート２０に固定されたフレーム５０であって、少なくとも一組の電極へ反応物を提供する複数の平行な流路５２を備えているフレーム５０を含む。フレーム１５１が、上記電解質シート２０に固定されたフレーム５０を隔離している。フレーム１５１は封止剤１６１でフレーム５０に封止されている。フレーム５０の断面積が少なくとも１．５流路／ｃｍ^２（１０流路／平方インチ）、好ましくは７．５流路／ｃｍ^２（５０流路／平方インチ）の流路密度を備え、かつ流路壁の厚さが０．５ｍｍ（２０ミル）以下であることが好ましい。流路密度は１５流路／ｃｍ^２（１００流路／平方インチ）が最も好ましい。複数の電解質シート２０は、(1) １枚の電解質シート上に位置する陽極４０が、他の１枚の電解質シート上に位置する陽極に対向して、反応物がフレーム５０および燃料電池アレー１５間を流通することを可能にし、かつ(2) １枚の電解質シート上に位置する陰極３０が、他の１枚の電解質シート上に位置する陰極に対向し、かくして酸素〈陰極〉室８０′を形成するように位置決めされる。空気または酸素が、通路１５３を通ってフレーム１５１を流通しかつ酸素室に流入して陰極に接触し、次いで通路１５３′を通ってフレーム１５１を流通して、フレームの排出口８５から流出することが好ましい。本実施の形態においては、排出された燃料および空気が燃焼室８５に提供され、この燃焼室８５で燃料が燃焼する。燃焼室からの熱は、必要に応じて燃料電池装置アセンブリに供給されて、より効率的な動作を可能にする。 Thus, as shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the fuel cell device assembly 10 includes (I) a first comprising an electrolyte sheet 20 and a plurality of cathodes 30 disposed on one side of the electrolyte sheet 20. A plurality of electrically interconnected fuel cell arrays 15 comprising a set of electrodes and a second set of electrodes comprising a plurality of anodes 40 disposed on the other side of the electrolyte sheet 20, and (II ) A frame 50 that supports the electrolyte sheet 20 and is fixed to the electrolyte sheet 20, and includes a frame 50 that includes a plurality of parallel flow paths 52 that provide reactants to at least one set of electrodes. A frame 151 isolates the frame 50 fixed to the electrolyte sheet 20. The frame 151 is sealed to the frame 50 with a sealant 161. The cross-sectional area of the frame 50 comprises a channel density of at least 1.5 channels / cm ² (10 channels / in ² ), preferably 7.5 channels / cm ² (50 channels / in ² ); The channel wall thickness is preferably 0.5 mm (20 mils) or less. The flow path density is most preferably 15 flow paths / cm ² (100 flow paths / square inch). The plurality of electrolyte sheets 20 are: (1) The anode 40 located on one electrolyte sheet faces the anode located on the other electrolyte sheet, and the reactant is the frame 50 and the fuel cell array 15. And (2) the cathode 30 located on one electrolyte sheet faces the cathode located on the other electrolyte sheet, and thus the oxygen <cathode> chamber 80 '. Are positioned to form Air or oxygen flows through the frame 151 through the passage 153 and flows into the oxygen chamber and contacts the cathode, and then flows through the frame 151 through the passage 153 ′ and out of the frame outlet 85. Is preferred. In the present embodiment, the discharged fuel and air are provided to the combustion chamber 85, and the fuel burns in the combustion chamber 85. Heat from the combustion chamber is supplied to the fuel cell device assembly as needed to allow more efficient operation.

実施例４
上述したハニカムフレームの基本的概念に対して、種々の変更または修正を行なって、異なるスタック構造を得ることが可能である。このような変形の一つが、平板状燃料電池アレーを支持するための周期的支持構造５０′を備えたフレーム５０を含む。図６Ａに示されているように、この燃料電池装置アセンブリ１０は、一列以上の平面状燃料電池アレー１５を備えることができる。これら燃料電池アレー１５は、支持構造体５０′のみでなく外縁部において封止剤６０を用いてフレーム５０に接着されている。これら燃料電池アレー１５は、陽極４０が内部陽極室８０に面するように位置決めされている。あるいは、燃料電池アレーが曲りは制限するが撓むことは許容することが望ましい場合がある。曲りは制限するが撓むことは許容するという意味は、図６Ａに示されているように、フレーム５０および支持構造体５０′は備えるが、燃料電池アレー１５を支持構造体５０′に結合する封止剤６０は省略するということである。これが図６Ｂに示されている。 Example 4
Various changes or modifications can be made to the basic concept of the honeycomb frame described above to obtain different stack structures. One such variation includes a frame 50 with a periodic support structure 50 'for supporting a planar fuel cell array. As shown in FIG. 6A, the fuel cell device assembly 10 may include one or more rows of planar fuel cell arrays 15. These fuel cell arrays 15 are bonded not only to the support structure 50 ′ but also to the frame 50 at the outer edge using a sealant 60. These fuel cell arrays 15 are positioned so that the anode 40 faces the internal anode chamber 80. Alternatively, it may be desirable to allow the fuel cell array to bend but to bend. The meaning of limiting bending but allowing bending is that the frame 50 and support structure 50 'are provided as shown in FIG. 6A, but the fuel cell array 15 is coupled to the support structure 50'. That is, the sealant 60 is omitted. This is illustrated in FIG. 6B.

実施例５
上記支持構造体５０′また、ガス分配機能をも提供することが可能である。図７Ａおよび図７Ｂは、燃料流の往復分配のためにフレーム５０を用いた燃料電池装置アセンブリ１０を概略的に示す。このようなフレーム５０は、より大きい燃料の利用およびより大きい熱の一様性を得ることができる効果がある。フレーム５０はハニカム構造を有し、かつ陽極室８０内に位置する支持構造体５０′および５０″を備えている。フレームセクション５０ａのハニカム流路５２の一部は燃料取入れ口の近傍において栓５３によって塞がれており、これにより、セクション５０ａの一部５０ａ′における流路を通じて注入燃料を案内する。セクション５０ａの一部５０ａ′は、フレーム５０の一つのエッジと支持構造体５０′のエッジとの間に位置する。同様に、燃料排出端の近傍には、フレームセクション５０ｂが栓５３によって塞がれており、燃料の排出を流路５２′の一部のみに制限する。支持構造体５０′および５０″は、フレーム５０の周辺部分に関して開口部８５″を有し、これら開口部８５″は燃料ガス流を往復状態に（矢印によって示されているように）排出口７０から出るまで案内する。電極を横切る燃料ガスの波状の移動は、より長い通路を燃料に提供し、したがって、複数の燃料電池アレー１５に亘る熱的一様性をより大にするのみでなく、燃料の利用率の向上が達成される。 Example 5
The support structure 50 'can also provide a gas distribution function. 7A and 7B schematically illustrate a fuel cell device assembly 10 using a frame 50 for reciprocal distribution of fuel flow. Such a frame 50 has the effect of obtaining greater fuel utilization and greater thermal uniformity. The frame 50 has a honeycomb structure and includes support structures 50 'and 50 "positioned in the anode chamber 80. A part of the honeycomb flow path 52 of the frame section 50a is plugged in the vicinity of the fuel intake port. Thereby guiding the injected fuel through the flow path in the part 50a 'of the section 50a. The part 50a' of the section 50a is one edge of the frame 50 and the edge of the support structure 50 '. Similarly, in the vicinity of the fuel discharge end, the frame section 50b is closed by a plug 53, and the discharge of the fuel is limited to only a part of the flow path 52 '. 50 'and 50 "have openings 85" with respect to the peripheral part of the frame 50, and these openings 85 "reciprocate the fuel gas flow (indicated by arrows). So that to) be guided to the exit from the discharge port 70. The undulating movement of fuel gas across the electrodes provides a longer path for the fuel, thus not only providing greater thermal uniformity across multiple fuel cell arrays 15, but also improving fuel utilization. Is achieved.

実施例６
燃料電池アレー１５の製造をフレーム５０の製造と別個にすることができることは、構成の融通性をより大きくすることができる。例えば、フレームの製造と燃料電池アレーの製造とは、二つの独立した工程でるため、フレームのキャビティに対する電極の配向を異ならせることが可能である。本発明の実施例が図８Ａおよび図８Ｂに示されている。この実施例においては、複数の燃料電池アレー１５が陰極側をフレーム５０の内側に向けてフレーム５０に接着されている。この陰極対面配置においては、ハニカムフレーム５０の複数の平行な流路５２を通じて空気が内部の陰極室８０′に供給され、一方、陽極のための燃料は、燃料電池アレー１５の陽極に面する外側の室に供給される。さらに詳しく述べると、空気は空気取入れ口９０を通じて供給され、燃料電池空気取入れ中央流路５２に入る。空気は、燃料電池空気取入れ中央流路５２の末端またはその近傍において方向転換されて、空気取入れ流路５２から、空気を陰極３０に供給する周辺流路５２に分配される。排出された空気は空気排出口８５に導かれる。 Example 6
The ability to manufacture the fuel cell array 15 separately from the manufacture of the frame 50 can increase the flexibility of the configuration. For example, since the manufacture of the frame and the manufacture of the fuel cell array are two independent processes, the orientation of the electrodes with respect to the cavity of the frame can be made different. An embodiment of the present invention is shown in FIGS. 8A and 8B. In this embodiment, a plurality of fuel cell arrays 15 are bonded to the frame 50 with the cathode side facing the inside of the frame 50. In this cathode facing arrangement, air is supplied to the internal cathode chamber 80 ′ through a plurality of parallel channels 52 of the honeycomb frame 50, while the fuel for the anode is outside facing the anode of the fuel cell array 15. Supplied to the chamber. More specifically, air is supplied through an air intake 90 and enters the fuel cell air intake central flow path 52. Air is redirected at or near the end of the fuel cell air intake central flow path 52 and is distributed from the air intake flow path 52 to the peripheral flow path 52 that supplies air to the cathode 30. The discharged air is guided to the air discharge port 85.

図８Ａおよび図８Ｂは、燃料分配室１０２を形成するハウジング１００を示す。ハウジング１００に接着されたフレーム５０および複数の燃料電池アレー１５は、燃料電池アレー１５の陽極に燃料が接触するように室１０２の内部に位置決めされている。ハウジング１００は、燃料分配器１０５に連結された少なくとも１個の、好ましくは複数の燃料ガス取入れ口１１２を有する。燃料は、ハウジング１００に開けられた１個以上の燃料ガス排出口１０７を通じて室１０２から排出される。排出された燃料および空気は燃焼室内で混合されて熱を発生し、この熱は次に燃料電池スタックによって、入ってくる空気を所定の温度に加熱するのに利用される。図８Ａおよび図８Ｂに示された燃料電池装置アセンブリ１０は、フレーム５０およびこれに取り付けられた複数の燃料電池アレー１５（すなわち燃料電池モジュール）が、このモジュールの一端のみにおいて封止剤１１５によってハウジング１００に機械的に固定されているので、優れた熱機械的耐久性を有する利点がある。これらの図に示されているように、フレーム５０およびこれに取り付けられた複数の燃料電池アレー１５が、ハウジング１００とモジュール１２との間の取入れ口側の封止剤１１５によって支持されている。 8A and 8B show the housing 100 that forms the fuel distribution chamber 102. The frame 50 and the plurality of fuel cell arrays 15 bonded to the housing 100 are positioned inside the chamber 102 so that the fuel contacts the anodes of the fuel cell array 15. The housing 100 has at least one, preferably a plurality of fuel gas intakes 112 connected to the fuel distributor 105. The fuel is discharged from the chamber 102 through one or more fuel gas discharge ports 107 opened in the housing 100. The discharged fuel and air are mixed in the combustion chamber to generate heat, which is then utilized by the fuel cell stack to heat the incoming air to a predetermined temperature. The fuel cell device assembly 10 shown in FIGS. 8A and 8B includes a frame 50 and a plurality of fuel cell arrays 15 (i.e., fuel cell modules) attached thereto, which are encapsulated by a sealant 115 only at one end of the module. Since it is mechanically fixed to 100, there is an advantage of having excellent thermomechanical durability. As shown in these drawings, the frame 50 and the plurality of fuel cell arrays 15 attached thereto are supported by a sealant 115 on the intake side between the housing 100 and the module 12.

しかしながら、上記に代わる別の構成においては、フレーム５０およびこれに取り付けられた複数の燃料電池アレー１５が柔軟な支持体１２０（図８Ａにハッチングにより示されている）上に取り付けられていてもよい。柔軟な支持体１２０は、例えば室１０２内に位置する金属発泡体とすることができる。 However, in another alternative configuration, the frame 50 and the plurality of fuel cell arrays 15 attached thereto may be mounted on a flexible support 120 (shown by hatching in FIG. 8A). . The flexible support 120 can be, for example, a metal foam located within the chamber 102.

フレーム５０およびこれに取り付けられた複数の燃料電池アレー１５が、ハウジング１００の反対側端部〈空気の方向転換部〉の近傍の固定位置では支持されていないことにより、モジュールの長手方向に亘る温度勾配による過大な歪みは最小にされるかまたは完全に回避される。第１の燃料電池アレー１５に対する第１の電気的接続線１２５は、陰極接点１３０に取り付けられたＮｉまたはＡｇ線あるいはＮｉまたはＡｇリボンのような固体導体からなるものとすることができる。陽極接点パッド１３０は、例えば銀・パラディウム合金（銀・パラディウム・サーメット）から形成される。この陽極接点パッド１３０は、相互接続線を介して第１の陰極３０に接続されている。これらの図に示されている二つの燃料電池アレー１５間の電気的接続も、第１のアレー陽極４０の部分と第２のアレー１５の陰極接点１３０とに取り付けられてフレーム５０の周辺に沿って延びる、ＮｉまたはＡｇ線あるいはＮｉまたはＡｇリボンのような固体導体とすることができる。第２の燃料電池アレー１５に対する第３の電気的接続線１４２は、第２の燃料電池アレー１５の最後の陽極４０に取り付けられたＮｉまたはＡｇ線あるいはＮｉまたはＡｇリボンのような固体導体を含む。第１および第３の電気的接続線１２５，１４２は次にハウジング１００を通り抜けて多数の装置１０および電力抽出手段との結線を可能にする。 Since the frame 50 and the plurality of fuel cell arrays 15 attached to the frame 50 are not supported at a fixed position in the vicinity of the opposite end portion <air redirection portion> of the housing 100, the temperature in the longitudinal direction of the module Excessive distortion due to the gradient is minimized or completely avoided. The first electrical connection line 125 to the first fuel cell array 15 can be made of a solid conductor such as a Ni or Ag wire or a Ni or Ag ribbon attached to the cathode contact 130. The anode contact pad 130 is made of, for example, a silver / palladium alloy (silver / palladium / cermet). The anode contact pad 130 is connected to the first cathode 30 via an interconnection line. The electrical connections between the two fuel cell arrays 15 shown in these figures are also attached to the portion of the first array anode 40 and the cathode contact 130 of the second array 15 along the periphery of the frame 50. It can be a solid conductor such as a Ni or Ag wire or a Ni or Ag ribbon. The third electrical connection 142 to the second fuel cell array 15 includes a solid conductor such as a Ni or Ag wire or a Ni or Ag ribbon attached to the last anode 40 of the second fuel cell array 15. . The first and third electrical connection lines 125, 142 then pass through the housing 100 to allow connection to multiple devices 10 and power extraction means.

実施例７
図９は燃料電池装置アセンブリ１０の別の実施例を概略的に示している。この実施例は、図８Ａおよび図８Ｂに示された実施例に類似しているが、２個の燃料電池モジュール１２（すなわち、各フレーム５０が２個の燃料電池アレー１５を備えた２組のフレーム５０）を備えている。この構成は、複数のモジュールが共通のハウジング１００を共有することができる利点を有し、良好な燃料利用率を伴ったコンパクトな構成を提供する。モジュール同士の電気的接続線１４３は、ニッケル製スクリーン、布、金網のような安価な基礎金属によって提供することが可能であり、その理由は、この相互接続手段が酸化環境ではない燃料室内に位置しているからである。ガス分配室１０２内には、必要に応じて、いかなる数の相互接続されたモジュールも配置することができる。さらに詳しく言えば、図９は２個の燃料電池モジュール１２（各モジュールが、フレーム５０の両側に接着された多セル平板状燃料電池アレー１５を備えている）が、ハウジング１００によって形成されたガス分配室１０２の内側に位置している。このハウジング１００は、燃料取入れ口１５０を通って燃料電池装置アセンブリ１０内に流入する燃料の分配を可能にする複数の透孔１１２を備えた燃料分配板１４５を内蔵している。燃料は、ハウジング１００の板１５５内の狭いスリット１８５を通じて排出され、室１０２から燃焼室１６０へ流入する。板１５５は、燃焼室１６０を燃料室１０２から隔離する。空気は取入れ口１６５を通って供給され、フレーム５０の流路５２を通って燃料電池モジュール１２に流入する。封止剤１７１は新鮮な空気が燃焼室１６０内へ侵入するのを低減する。ここには図示されていないが、空気分配経路は図８Ａおよび図８Ｂに示されているものに類似している。ハニカムの下端における方向転換により、空気がハニカムの内部の取入れ流路から周辺流路に分配されて電池に供給される。最終的に空気は排出スリット１７０を通じて排出される。排出空気は排出燃料と混合され、燃焼排出口１７５を通じて排出される燃焼生成物を提供する。 Example 7
FIG. 9 schematically illustrates another embodiment of the fuel cell device assembly 10. This embodiment is similar to the embodiment shown in FIGS. 8A and 8B, but with two fuel cell modules 12 (ie, two sets of each frame 50 comprising two fuel cell arrays 15). Frame 50). This configuration has the advantage that multiple modules can share a common housing 100 and provides a compact configuration with good fuel utilization. The module-to-module electrical connection 143 can be provided by an inexpensive base metal such as a nickel screen, cloth, or wire mesh because the interconnection means is located in a fuel chamber that is not an oxidizing environment. Because it is. Any number of interconnected modules can be placed in the gas distribution chamber 102 as desired. More specifically, FIG. 9 shows the gas formed by the two fuel cell modules 12 (each module comprising a multi-cell planar fuel cell array 15 bonded to both sides of the frame 50) by the housing 100. It is located inside the distribution chamber 102. The housing 100 incorporates a fuel distribution plate 145 having a plurality of through holes 112 that allow distribution of fuel flowing into the fuel cell device assembly 10 through the fuel inlet 150. Fuel is discharged through a narrow slit 185 in the plate 155 of the housing 100 and flows from the chamber 102 into the combustion chamber 160. Plate 155 isolates combustion chamber 160 from fuel chamber 102. Air is supplied through the intake port 165 and flows into the fuel cell module 12 through the flow path 52 of the frame 50. Sealant 171 reduces the ingress of fresh air into combustion chamber 160. Although not shown here, the air distribution path is similar to that shown in FIGS. 8A and 8B. By changing the direction at the lower end of the honeycomb, air is distributed from the intake flow path inside the honeycomb to the peripheral flow path and supplied to the battery. Finally, the air is discharged through the discharge slit 170. The exhaust air is mixed with exhaust fuel and provides combustion products that are exhausted through the combustion exhaust 175.

２個の燃料電池モジュール１２間の相互接続１４３は、図８Ａに示された電気接続１４２と同様の態様で、近傍のモジュール１２の上部の陽極４０に対して例えば柔軟なニッケルフェルトにより行なわれる。各燃料電池モジュール１２の２個の燃料電池アレー１５間の電気的接続は、図８Ａに示されたものと同様の態様で行なわれる。 The interconnection 143 between the two fuel cell modules 12 is made, for example by flexible nickel felt, to the upper anode 40 of the neighboring module 12 in a manner similar to the electrical connection 142 shown in FIG. 8A. The electrical connection between the two fuel cell arrays 15 of each fuel cell module 12 is made in a manner similar to that shown in FIG. 8A.

フレームによって提供される他の効果
ハニカムフレーム５０の壁によって提供される高い幾何学的表面積は、炭化水素（ガス）燃料を水素の濃いガス流に変換するための燃料改質用触媒物質（例えば、ニッケル金属または貴金属）を分散させるために有利である。このことは、素晴らしいことに、触媒物質に対して反応ガスを例えば６．９kPa(１PSI)もの低い背圧（すなわち、取入れ口圧力と排出口圧力との間の低い圧力低下）において接触させることができる。したがって、触媒をハニカムフレーム５０の内部に機能的に組み込むことができる利点がある。例えば上述した固体燃料電池（ＳＯＦＣ）に関しては、陽極室８０から上流に位置するフレームセクション５０ａ内の流路５２は、燃料改質を行なうために触媒化が可能である。流路壁５４の触媒化は、ウォッシュコーティング（例えば、セラミック粒子の表面上に持ち込まれる貴金属触媒を伴った高表面積セラミック粒子（例えば高表面積アルミナ）の懸濁液中にフレーム５０の流路壁５４の多孔質部分を漬けることによるウォッシュコーティング）によって達成することができる。触媒による酸化を行なうために、貴金属触媒は、（例えば、フレーム５０の多孔質部分内の流路壁５４への上述したウォッシュコーティングによって）フレーム５０の排出端に堆積される。このことは、消費された燃料／オキシダント混合物を薄めて、効率的に燃焼させ、かつ熱交換効率を向上させることを可能にする。得られた熱は、例えば、入力されるガス燃料を燃料電池によって必要とされる動作温度（例えば約７００℃）に加熱して、燃料電池スタック・アセンブリをより効率的に動作させる。 Other Effects Provided by the Frame The high geometric surface area provided by the walls of the honeycomb frame 50 allows a fuel reforming catalytic material (eg, for converting hydrocarbon (gas) fuel into a hydrogen rich gas stream (eg, (Nickel metal or noble metal) is advantageous. This is wonderfully because the reaction gas can be brought into contact with the catalyst material at a back pressure as low as 6.9 kPa (1 PSI), for example, a low pressure drop between the inlet and outlet pressures. it can. Therefore, there is an advantage that the catalyst can be functionally incorporated in the honeycomb frame 50. For example, for the solid fuel cell (SOFC) described above, the flow path 52 in the frame section 50a located upstream from the anode chamber 80 can be catalyzed for fuel reforming. The catalysis of the channel wall 54 is achieved by a flow coating 54 of the frame 50 in a suspension of a wash coating (eg, a high surface area ceramic particle (eg, high surface area alumina) with a noble metal catalyst carried on the surface of the ceramic particle). Can be achieved by immersing the porous portion of the substrate. In order to perform catalytic oxidation, a noble metal catalyst is deposited at the discharge end of the frame 50 (eg, by the above-described wash coating on the flow path wall 54 in the porous portion of the frame 50). This makes it possible to dilute the consumed fuel / oxidant mixture, to burn it efficiently and to improve the heat exchange efficiency. The resulting heat, for example, heats the incoming gas fuel to the operating temperature required by the fuel cell (eg, about 700 ° C.), causing the fuel cell stack assembly to operate more efficiently.

或る場合には、効率的なウォッシュコーティングを施すにためは流路壁５４の密度が
高すぎる（十分に多孔質ではない）ことがある。この場合には、触媒は、形成工程においてフレーム先駆材料中に含ませることによって触媒を壁５４に組み込むことができる。例えば、フレーム先駆材料中にＮｉＯを添加することによってＮｉ改質触媒を含ませることができる。ＮｉＯは燃料ガスにより還元されて、流路５２の表面に分布されたＮｉ改質触媒を形成する。 In some cases, the density of the channel walls 54 may be too high (not sufficiently porous) to provide an efficient wash coating. In this case, the catalyst can be incorporated into the wall 54 by including it in the frame precursor material in the forming process. For example, a Ni reforming catalyst can be included by adding NiO to the frame precursor material. NiO is reduced by the fuel gas to form a Ni reforming catalyst distributed on the surface of the flow path 52.

ＮｉＯ成分は、完成されたフレームの構造的完全性の損失を回避するために、無機材料の３０体積％よりも少なくなければならない。ＮｉＯ成分は１０％以下が好ましい。上述のように、或る種の用途に対しては（複合サイクルシステムを含むがそれに限定されない）、還元の際に流路５２の表面に貴金属酸化触媒の分布を形成する貴金属をフレーム形成材料中に形成する含ませることによって、排出口８５の近傍に位置するフレームセクション５０ｂにおける流路壁５４を酸化触媒で触媒化するのが有利である。これは、燃料電池アセンブリが効率的に未反応燃料を利用して熱エネルギーを生成させるのを可能にする。 The NiO component must be less than 30% by volume of the inorganic material to avoid loss of structural integrity of the finished frame. The NiO component is preferably 10% or less. As noted above, for certain applications (including but not limited to combined cycle systems), noble metals that form a distribution of noble metal oxidation catalyst on the surface of the flow path 52 during reduction are included in the frame forming material. It is advantageous to catalyze the flow path wall 54 in the frame section 50b located near the discharge port 85 with an oxidation catalyst. This allows the fuel cell assembly to efficiently utilize unreacted fuel to generate thermal energy.

流路５２，５２′はまた、リード線またはセンサ（例えば熱電対）ワイヤのための絶縁導管として用いることも可能である。流路５２，５２′のうちのいくつかは、平板状燃料電池アレー上の種々の場所への現行のリード線および／またはセンサワイヤに提供される。流路は、絶縁を必要とするワイヤを含みかつ支持するための低価格の代替手段を提供する。 The flow paths 52, 52 'can also be used as insulated conduits for lead wires or sensor (eg thermocouple) wires. Some of the flow paths 52, 52 'are provided for current leads and / or sensor wires to various locations on the planar fuel cell array. The flow path provides a low cost alternative to contain and support wires that require insulation.

ハニカム／平板状燃料電池アレーの自己完結式の性質は、別の有利な構造でも得られる。長いハニカムフレームは容易に製造できるので、フレームの種々のセクションを種々の温度に保つことが可能である。例えば、フレーム５０の取入れ口を低い温度に保つことを欲するならば、取入れ口マニフォルドとフレーム５０との間に低温度ポリマー封止剤６０の使用を可能にする。 The self-contained nature of the honeycomb / planar fuel cell array can also be obtained with another advantageous structure. Long honeycomb frames can be easily manufactured so that different sections of the frame can be kept at different temperatures. For example, if it is desired to keep the intake of the frame 50 at a low temperature, it allows the use of a low temperature polymer sealant 60 between the intake manifold and the frame 50.

ここに具現化され、かつ図１０に示されているように、フレーム５０は３ＹＳＺから作成可能であり、燃料電池装置アセンブリは、例えば、下記のステップに従って、フレームを作成するための押出し成形法を利用し、かつ燃料電池アレーを取り付けることによって製造される。すなわち、
１．例えば、ポリマーバインダおよび潤滑剤とともに３ＹＳＺ粉末を含有するバッチのようなセラミック原料バッチを提供し、
２．このセラミックバッチをダイおよび１平方センチメートル当たり少なくとも１．５５個（１平方インチ当たり少なくとも１０個）の開口部を有するマスクに通して押出して、断面積において少なくとも１．５５セル／ｃｍ^２（１０セル／平方インチ）のセル密度および１．２７ｍｍ（５０ミル）以下の壁の厚さを有する未焼成押出し成形体を形成する。 As embodied herein and shown in FIG. 10, the frame 50 can be made from 3YSZ, and the fuel cell device assembly can be extruded using, for example, an extrusion process to create the frame according to the following steps: And is manufactured by attaching a fuel cell array. That is,
1. For example, providing a ceramic raw material batch, such as a batch containing 3YSZ powder with a polymer binder and lubricant,
2. The ceramic batch is extruded through a die and a mask having at least 1.55 openings per square centimeter (at least 10 per square inch) and has a cross-sectional area of at least 1.55 cells / cm ² (10 cells / cm ² ). A green extrudate is formed having a cell density of square inches and a wall thickness of 1.27 mm (50 mils) or less.

３．この未焼成押出し成形体を適当な長さに切断して未焼成フレーム素材を形成する。この時点において、未焼成フレーム素材内の１箇所以上の部分が切除されて、少なくとも１個の燃料電池アレーを保持するための場所が形成される。この開口部の大きさは、燃料電池アレーの大きさよりも焼成時に予想される収縮量だけ大きくされるべきである。 3. The green extruded material is cut into an appropriate length to form a green frame material. At this point, one or more portions in the unfired frame material are cut away to form a place for holding at least one fuel cell array. The size of the opening should be larger than the size of the fuel cell array by the amount of shrinkage expected during firing.

５．この未焼成フレーム素材を少なくとも１２００℃の温度で、好ましくは１４００℃と１６００℃の間の温度で、少なくとも１時間焼成して、複数の平行な流路を備えたセラミックフレームを形成する。 5. The green frame material is fired at a temperature of at least 1200 ° C., preferably at a temperature between 1400 ° C. and 1600 ° C., for at least 1 hour to form a ceramic frame having a plurality of parallel flow paths.

６．フレームを冷却する。もし未焼成フレームに１枚以上の電解質シートのための場所が切られていなかった場合には、冷却されたフレームが機械加工されて、１個以上の燃料電池アレーのための収容部が形成される。 6). Cool the frame. If the unfired frame has not been cut for one or more electrolyte sheets, the cooled frame is machined to form a containment for one or more fuel cell arrays. The

７．上記燃料電池アレーをそれの指定された位置へ挿入する。 7. Insert the fuel cell array into its designated position.

８．上記燃料電池アレーを上記フレームに封止する。 8). The fuel cell array is sealed in the frame.

実施例
１．バインダとして３重量％のメチルセルロースを含む３ＹＳＺからなる押出し成形用バッチを水と混合して、押出し成形に適した粘度にする。 Example 1. An extrusion batch consisting of 3YSZ containing 3% by weight methylcellulose as a binder is mixed with water to a viscosity suitable for extrusion.

２．このバッチを、例えばピン間の間隔が０．４１ｍｍ（１６ミル）の３１セル／ｃｍ^２（２００セル／平方インチ）のダイを通じてラム押出し成形を行なう。ダイの全面に四角のマスクを配置して、横４行、縦１７列の四角のアレーを備えた「２００／１６」未焼成押出し成形体を形成する。 2. The batch, for example, the spacing between the pin performs ram extrusion through a die of 0.41 mm (16 mils) of 31 cells ^/ cm 2 (200 cells / square inch). A square mask is placed on the entire surface of the die to form a “200/16” green extruded body with a square array of 4 rows by 17 columns.

３．部品を未焼成状態において８１ｃｍ（３２インチ）の辺りで切断する。この部品の中間部に、長さ３．８ｃｍ（１．５インチ）、幅１．９ｃｍ（０．７５インチ）（１１流路に相当する）の開口部を押出し成形体の半分まで切り込んで（２流路の深さ）、陽極室を形成する。 3. The part is cut around 32 inches (81 cm) in the green state. In the middle part of this part, an opening having a length of 3.8 cm (1.5 inches) and a width of 1.9 cm (0.75 inches) (corresponding to 11 flow paths) was cut into half of the extruded body ( 2) the depth of the flow path), forming the anode chamber.

４．外皮における少数の傷を封止するために、外表面に３ＹＳＺスリップを塗る。３ＹＳＺスリップの組成および製法の実施例の詳細は、引例として本明細書に組み入れられる米国特許第６,６２３,８８１号明細書に記載されている。これに加えて、３ＹＳＺスリップは、底部の２行の流路に栓を施すのに用いられて排気を規制し、空気が陽極室に侵入するのを防止する。 4). Apply 3YSZ slip to the outer surface to seal a few flaws in the outer skin. Details of examples of 3YSZ slip compositions and processes are described in US Pat. No. 6,623,881, incorporated herein by reference. In addition, the 3YSZ slip is used to plug the two rows of flow paths at the bottom to restrict the exhaust and prevent air from entering the anode chamber.

５．未焼成部品を約１４５０℃で焼成する。４時間の焼成後、未焼成部品は直線的に約２５％収縮して、０．６ｃｍ×２．５４ｃｍ（１／４インチ×１インチ）の前面寸法と６１ｃｍ（２４インチ）の長さを有するものになる。０．６ｃｍ（１／４インチ）のステンレススティール製パイプからハニカム流路に取入れガスを分配するアルミニウム金属製の末端部材を、有機エポキシを用いて押出し成形チューブに封着する。 5. The green part is fired at about 1450 ° C. After 4 hours firing, the green part shrinks approximately 25% linearly and has a front dimension of 0.6 cm x 2.54 cm (1/4 inch x 1 inch) and a length of 61 cm (24 inches). Become a thing. An end member made of aluminum metal that distributes gas from a 0.6 cm (¼ inch) stainless steel pipe into the honeycomb flow path is sealed to the extruded tube using organic epoxy.

６．２．５４ｃｍ×５．０８ｃｍ（１インチ×２インチ）の寸法を有する厚さ２０μｍの３ＹＳＺ電解質シート上に、ＬＳＭ／ＹＳＺ陰極とＮｉ／ＹＳＺ陽極とＡｇ−Ｐｄ合金電流コレクタを備えた単一電池試験片をスクリーン印刷しかつ焼成する。経路相互接続が用いられて陽極電気リード接点が空気側に設けられる。 6. A single unit comprising an LSM / YSZ cathode, a Ni / YSZ anode, and an Ag-Pd alloy current collector on a 20 μm thick 3YSZ electrolyte sheet having dimensions of 2.54 cm × 5.08 cm (1 inch × 2 inches). One battery specimen is screen printed and fired. Path interconnects are used to provide anode electrical lead contacts on the air side.

７．Ａｇ−Ｐｄ合金を用いて、試験片を３ＹＳＺ押出し成形フレームに封着する。Ａｇ−Ｐｄを用いて、電池に接触するＡｇ−Ｐｄ合金コンタクトパッドに銀製のリード線を接続した。水素を水に通して泡立てながらの７２５℃におけるテスト時に、開路電圧が１Ｖを超えることが測定され、交差漏洩電流は極小を示した。 7. The specimen is sealed to a 3YSZ extrusion frame using an Ag-Pd alloy. Using Ag—Pd, silver lead wires were connected to Ag—Pd alloy contact pads in contact with the battery. During the test at 725 ° C. while bubbling hydrogen through the water, it was measured that the open circuit voltage exceeded 1 V and the cross leakage current was minimal.

本発明の精神および範囲から逸脱することなしに本発明に対して種々の変形、変更が可能なことは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内でなされた変形、変更をカバーすることを意図するものである。 It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the present invention is intended to cover modifications and changes made within the scope of the appended claims and their equivalents.

本発明の一実施の形態の概略的断面図1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of the present invention. 図１に示された燃料電池アレーを支持するための種々のフレームの一部の略略的断面図1 is a schematic cross-sectional view of a portion of various frames for supporting the fuel cell array shown in FIG. 図１に示された燃料電池アレーを支持するための種々のフレームの一部の略略的断面図1 is a schematic cross-sectional view of a portion of various frames for supporting the fuel cell array shown in FIG. 図１に示された燃料電池アレーを支持するための種々のフレームの一部の略略的断面図1 is a schematic cross-sectional view of a portion of various frames for supporting the fuel cell array shown in FIG. １個のハニカムフレームおよびこれに接着された２個の燃料電池アレーの略略的断面図Schematic sectional view of one honeycomb frame and two fuel cell arrays bonded to it 図３Ａに示されたハニカムフレームおよび燃料電池アレーの略略的平面図FIG. 3A is a schematic plan view of the honeycomb frame and the fuel cell array shown in FIG. 3A. 内部で熱交換を行なうハニカムフレームを備えた燃料電池モジュールの概略図Schematic diagram of fuel cell module with honeycomb frame for heat exchange inside 内部で熱交換を行なうハニカムフレームを備えた燃料電池モジュールの概略図Schematic diagram of fuel cell module with honeycomb frame for heat exchange inside ハニカムフレームに連結された燃料電池スタックを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図Schematic of a fuel cell device assembly with a fuel cell stack coupled to a honeycomb frame ハニカムフレームに連結された燃料電池スタックを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図Schematic of a fuel cell device assembly with a fuel cell stack coupled to a honeycomb frame 付加的交差支持面を有するハニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図Schematic of a fuel cell device assembly with a honeycomb frame having additional cross support surfaces 付加的交差支持面を有するハニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図Schematic of a fuel cell device assembly with a honeycomb frame having additional cross support surfaces 往復ガス流を伴うニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図Schematic of a fuel cell device assembly with a Nicam frame with reciprocating gas flow 往復ガス流を伴うニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図Schematic of a fuel cell device assembly with a Nicam frame with reciprocating gas flow ハニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの別の実施の形態の概略図Schematic of another embodiment of a fuel cell device assembly with a honeycomb frame ハニカムフレームを備えた燃料電池装置アセンブリの別の実施の形態の概略図Schematic of another embodiment of a fuel cell device assembly with a honeycomb frame ２個の燃料電池モジュールを備えた燃料電池装置アセンブリの概略図Schematic diagram of a fuel cell device assembly with two fuel cell modules 燃料電池装置アセンブリの作成方法を示す概略的ブロック図Schematic block diagram showing a method of making a fuel cell device assembly

Explanation of symbols

１０燃料電池装置アセンブリ
１２燃料電池モジュール
１５燃料電池アレー
２０電解質シート
３０陰極
４０陽極
５０フレーム
５２，５２′ 流路
５４壁
６０封止剤
７０ガス分配末端部材
８０陽極室
８０′ 陰極室
８５燃焼室
８６栓 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell apparatus assembly 12 Fuel cell module 15 Fuel cell array 20 Electrolyte sheet 30 Cathode 40 Anode 50 Frame 52, 52 'Channel 54 Wall 60 Sealant 70 Gas distribution terminal member 80 Anode chamber 80' Cathode chamber 85 Combustion chamber 86 plug

Claims

(1) A plurality of parallel flow paths having a flow path density of at least 1.55 flow paths / cm ² (10 flow paths / in ² ) and a flow path wall thickness of 1.27 mm (50 mils) or less. A method for producing a fuel cell device, comprising the steps of: (2) attaching at least one fuel cell array to the frame.

(1) providing a ceramic batch; (2) passing the ceramic batch through a die and a mask to provide a cell density of at least 1.55 cells / cm ² (10 cells / in 2) in cross-section and 1.27 mm (50 Mill) to form a green extruded body having the following wall thickness: (3) cutting the green extruded body into an appropriate length to form a green frame material; (4) Firing the fired frame material at a temperature of at least 1200 ° C. for at least 1 hour to form a ceramic frame with a plurality of parallel flow paths; and (5) at least one fuel cell array within the ceramic frame. A method for producing a fuel cell device comprising the steps of: (6) inserting the at least one fuel cell array into the frame;

The fuel of claim 2, further comprising the step of cutting one or more portions in the unfired frame blank to form a location for holding the at least one fuel cell array. A method for creating a battery device.

(1) providing a ceramic batch; (2) passing the ceramic batch through a die and a mask having at least 1.55 openings per square centimeter (at least 10 openings per square inch) and having a cross-sectional area of at least 1; Forming a green extruded body having a cell density of .55 cells / cm ² (10 cells / square inch) and a wall thickness of 1.27 mm (50 mils) or less; (3) the green extruded body (4) A ceramic provided with a plurality of parallel flow paths by firing the green frame material at a temperature of at least 1200 ° C. for at least 1 hour. A method of making a frame for a fuel cell array, comprising the steps of forming a frame.

5. The method for producing a frame for a fuel cell array according to claim 4, further comprising a step of applying a wash coating to at least a part of the flow path wall of the frame by a wash coating of Ni or a noble metal catalyst.

Applying the wash coating comprises immersing the porous portion of the flow path wall of the frame in a suspension of high surface area ceramic particles with Ni or noble metal catalyst attached to the surface of the ceramic particles; The method for producing a frame for a fuel cell array according to claim 5, wherein:

5. A method of making a frame for a fuel cell array according to claim 4, comprising the step of adding NiO into the ceramic slip.

8. The creation of a frame for a fuel cell array according to claim 7, wherein the ceramic slip comprises NiO and the amount of NiO is less than 30% by volume of the total inorganic material comprising the slip. Method.

9. The method for producing a frame for a fuel cell array according to claim 8, wherein the amount of NiO is less than 10% by volume of the total inorganic material constituting the slip.